操作系统如何保证一致性、有序性、原子性（Unsafe类以下）

首先放总结图：

一、问题引入：

Java中广泛使用的CAS技术底层源码都是使用的Unsafe类，而这是一个native方法，本质上绕过了JVM，是由C/C++语言编写的，直接与操作系统底层相关，所以可以实现操作的原子性。

那么操作系统底层是如何保证操作的数据一致性、有序性、原子性的呢？

• 一致性：总线窥探原理 + 缓存一致性协议（硬件层面）
• 有序性：解决指令重排问题，内存屏障（软件层面，使用barrier编译器告诉计算机要按照顺序执行这段指令）
• 原子性：缓存一致性协议

二、cpu处理数据的过程：

每个CPU都和主线连接，每个缓存、内存之间的相互通信都要经过总线进行。一般CPU执行指令的顺序如下：

1. CPU从磁盘读取程序指令和数据到内存（拿到数据存储的地址的指针） 
2. 加载指令和数据到CPU的缓存
3. CPU执行指令，将结果写入缓存 
4. 将缓存中的结果数据写回内存

三、如何保证一致性和原子性：

不同CPU连接的内存可以保存同一个变量，不加限制的话就会存在并发问题，所以当某个CPU要改变某个共享数据时，会先通过总线告知其他CPU不可使用该数据，收到其他CPU的确认信号后，这个CPU再开始对这个数据的修改.（MESI协议）。

注：此处会有指令重排问题：

等待其他CPU的ACK信号会耗时，所以这里会有指令重排的问题，也就是CPU优化了指令的执行顺序，要修改共享数据时，不会阻塞等待其他CPU的响应，而是先往下执行对非共享数据操作的指令，收到其他CPU的ACK信号以后再反过来执行之前的指令。

所以以上指令重排优化过程会导致以下的指令执行顺序性问题，并发情况下会出现数据计算结果异常。

四、如何保证指令执行顺序性：

使用barrier编译器（内存屏障，软件层面防止指令重排）编译指令，计算机底层会取消指令重排优化，强制按照程序员规定的顺序执行指令。